JP5383651B2 - Apparatus for quench protection and damping stabilization in quasi-permanent superconducting magnets. - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、準永久モードで動作する超電導磁石の減衰の安定化、およびそのような磁石のクエンチ保護に関する。 The present invention relates to stabilizing damping of superconducting magnets operating in quasi-permanent mode, and quench protection of such magnets.
典型的な超電導磁石システムは、所望の磁界強度を発生する主マグネットコイル、およびコイルと平行に取り付けられて永久動作モードを可能にする超電導スイッチから構成される。 A typical superconducting magnet system consists of a main magnet coil that produces the desired magnetic field strength, and a superconducting switch that is mounted in parallel with the coil to allow a permanent mode of operation.
超電導磁石は通常永久モードで動作し、このモード時に、電流はランプアップ手順を用いて電源から電流リードを介して超電導コイルに導入され、その間、スイッチは開かれている。次いで超電導スイッチは閉じられ、電流は比較的長い時間、超電導コイルを流れ続ける。それによって定常磁界が発生する。しかし、電流源によって磁石に連続的に電力を供給し続ける必要はない。超電導スイッチを閉じ、こうして電流が磁石およびスイッチによって形成された連続超電導ループ内を循環することを可能にすることによって、かつリードの電流を零に減衰させることによって、磁石は永久モードになる。 The superconducting magnet normally operates in a permanent mode, during which current is introduced from the power source into the superconducting coil via a current lead using a ramp-up procedure while the switch is open. The superconducting switch is then closed and current continues to flow through the superconducting coil for a relatively long time. As a result, a stationary magnetic field is generated. However, it is not necessary to continuously supply power to the magnet by the current source. By closing the superconducting switch, thus allowing the current to circulate in the continuous superconducting loop formed by the magnet and the switch, and by dampening the lead current to zero, the magnet is in a permanent mode.
電流リードの電流を零に減衰させた後、電流リードは一般的に完全に除去される。その結果として、電流は、磁石およびスイッチによって形成された超電導ループ内を連続的に循環することができる。そのような従来の永久モード磁石において公知の通り、電流は時間と共にドリフトし、磁石は超電導ジョイントの抵抗に大きく依存する減衰性能によって特徴付けられる。減衰磁石については、米国特許出願公開第2003/0057942号明細書に記載されるような、超電導スイッチと連動する抵抗回路による安定化解決策が開発され、超電導磁石に実現するのに成功している。上記特許出願に記載されたスイッチと連動する抵抗器安定化解決策は特に、一般的に磁石の少なくとも一部のセクションの各セクションの端子に接続された抵抗器および/またはダイオードの配列を含む保護回路によって、複数のセクションに分けて保護される磁石に適用される。従来超電導磁石回路の一部として設けられる超電導スイッチも同様に保護される。これらのタイプの磁石は一般的に、通常数百アンペアの定格および通常10Vのオーダーの比較的低いコンプライアンス電圧を持つ電源により通電される。 After the current lead current decays to zero, the current lead is generally completely removed. As a result, current can circulate continuously through the superconducting loop formed by the magnets and switches. As is known in such conventional permanent mode magnets, the current drifts with time and the magnet is characterized by a damping performance that is highly dependent on the resistance of the superconducting joint. As for the attenuating magnet, a stabilization solution using a resistance circuit in conjunction with a superconducting switch as described in US 2003/0057942 has been developed and successfully realized in a superconducting magnet. The resistor stabilization solution in conjunction with the switch described in the above patent application is in particular a protection circuit comprising an array of resistors and / or diodes generally connected to the terminals of each section of at least some sections of the magnet Applies to magnets that are protected in multiple sections. A conventional superconducting switch provided as part of a superconducting magnet circuit is similarly protected. These types of magnets are typically energized by a power source that is typically rated in the hundreds of amps and has a relatively low compliance voltage, typically on the order of 10V.
図1に示すように、超電導磁石1は一般的に超電導スイッチ3を並列に担持する。通電中に、電源4から印加される電流の大きさを上げていくことによって設定電流まで磁石1に通電することができるように、スイッチ内に組み込まれたヒータ(図示せず)を用いて、スイッチ3は抵抗モードになる。抵抗モード時のスイッチ3の比較的大きな抵抗は、スイッチを通過する電流を制限し、事実上全ての電流がまっすぐ磁石1に流れる。ひとたび所要磁石動作電流に達すると、スイッチヒータはオフになり、超電導スイッチ3は超電導状態に戻る。電流リードの電流は、零に達するまで低減される。磁石1内を流れる電流は、スイッチ3および磁石1によって形成された超電導ループを循環する。ひとたび電流リードの電流が零まで低下すると、ここで電源4のスイッチを切り、完全に除去することができる。
As shown in FIG. 1, a
当技術分野で周知の通り、超電導磁石はクエンチ事象を生じ易い。そのような事象が発生すると、何らかの理由で、磁石の一部が超電導でなくなる。例えばこれは、1本の短いワイヤの移動またはコイルの構造上の完全性に関連する事象によって引き起こされる局所的加熱のため、発生することがある。超電導でなくなった部分は抵抗になる。磁石を流れる電流はこの抵抗部分の加熱を引き起こし、それが今度はより多くの超電導ワイヤを加熱し、そのより多くの超電導ワイヤを抵抗に変え、そのようにして熱は磁石の残部に伝搬する。これの効果は、磁石に蓄積されたエネルギーが、マグネットコイルのワイヤの熱として放散されることである。加えて、結果的に生じる磁石のインダクタンスを流れる電流の降下は、磁石の端子に高電圧を発生させる。クエンチ中に、電流、電圧、および温度は全て上昇する。これらは非常に高くなるので、保護が不十分な磁石(およびスイッチ)は損傷し易いことが知られている。したがって、クエンチを阻止しかつ管理するために、一般的に保護回路が設けられる。 As is well known in the art, superconducting magnets are susceptible to quench events. When such an event occurs, for some reason, part of the magnet is no longer superconducting. For example, this may occur due to local heating caused by events related to the movement of a single short wire or the structural integrity of the coil. The part that is no longer superconducting becomes resistance. The current flowing through the magnet causes heating of this resistive portion, which in turn heats more superconducting wire, turns that more superconducting wire into resistance, and thus heat propagates to the rest of the magnet. The effect of this is that the energy stored in the magnet is dissipated as the heat of the wire of the magnet coil. In addition, the resulting drop in current flowing through the magnet inductance creates a high voltage at the magnet terminals. During the quench, the current, voltage, and temperature all increase. These are so high that it is known that poorly protected magnets (and switches) are prone to damage. Therefore, a protection circuit is generally provided to prevent and manage quenching.
公知の超電導磁石、例えばMRI、NMR撮像、粒子加速器、および研究物理学用に意図された超電導磁石は一般的に、幾つかのコイルおよびコイル内のセクションにより構築される。クエンチ保護のための2大戦略が一般的に採用される。第一に、単一保護回路で磁石全体の保護をもたらすことが予想される。そのような回路には一般的に、超電導磁石を収容する低温保持装置の内部または外部に、単一保護抵抗器または抵抗器ネットワークが設けられる。または、磁石および/またはスイッチ内の個々のコイルまたはコイルセクションを保護するために、抵抗器および/またはダイオードのネットワークを用いて、保護回路機構が構成される。この第2の構成は、米国特許出願公開第2003/0057942号明細書によって改善のために意図されたものである。個々の保護抵抗器の使用は通常、保護抵抗器が低温保持装置内にあることを意味するが、保護抵抗器を低温保持装置の外に配置することもでき、一方単一抵抗器を使用する構成は一般的に、その抵抗器を低温保持装置の外に配置するが、相応じて、単一抵抗器は低温保持装置内に配置することもできる。そのような外部保護抵抗器は、導電体を低温保持装置から外に通すという問題を追加するが、クエンチ中に抵抗器によって放散される熱がクライオゲンを消費せず、または低温保持装置内に熱を導入しないという利点を有する。 Known superconducting magnets, such as MRI, NMR imaging, particle accelerators, and superconducting magnets intended for research physics are generally constructed by several coils and sections within the coils. Two major strategies for quench protection are commonly employed. First, it is expected that a single protection circuit will provide protection for the entire magnet. Such circuits are typically provided with a single protective resistor or resistor network, either inside or outside the cryostat that houses the superconducting magnet. Alternatively, a protection circuitry is constructed using a network of resistors and / or diodes to protect individual coils or coil sections within the magnet and / or switch. This second configuration is intended for improvement by US Patent Application Publication No. 2003/0057942. The use of an individual protection resistor usually means that the protection resistor is in the cryostat, but the protection resistor can also be placed outside the cryostat, while using a single resistor The configuration generally places the resistor outside of the cryostat, but correspondingly, a single resistor could be placed in the cryostat. Such an external protective resistor adds the problem of passing the conductor out of the cryostat, but the heat dissipated by the resistor during the quench does not consume the cryogen or heat is contained in the cryostat. Has the advantage of not introducing.
クエンチ中に、超電導スイッチは当業者が精通しているプロセスによって正常または抵抗状態にされ、残りの電流はスイッチの保護回路に送られ、それによって磁界に蓄積されたエネルギーを放散する。 During the quench, the superconducting switch is brought into a normal or resistive state by a process familiar to those skilled in the art, and the remaining current is sent to the protection circuit of the switch, thereby dissipating the energy stored in the magnetic field.
磁石全体がその端子に接続された単一抵抗器を用いて保護される場合、超電導磁石が数百アンペアの永久電流により作動することを考えると、その結果、おそらく数キロボルトのオーダーの非常に高い電圧が、磁石の端子間に、およびしたがって安定化回路に使用されるスイッチ3および抵抗器5の組合せにも発生し得る。超電導スイッチは一般的にそのような高電圧に耐えるように設計されておらず、したがって破壊される。超電導素子の破壊を防止するために、一般的に保護回路機構が超電導スイッチの一部として設けられる。そのような保護回路機構は、スイッチ自体に対するダイオードおよび/または抵抗器の並列回路の形を取ることができる。それにもかかわらず、超電導スイッチは数十ボルトの電圧にしか耐えることができない。
If the entire magnet is protected with a single resistor connected to its terminals, considering that the superconducting magnet operates with a permanent current of several hundred amperes, the result is probably very high, on the order of a few kilovolts Voltage can also be generated across the combination of switch 3 and
超電導スイッチ3は一般的に、どれだけの電流を通すことができるか(通常数百アンペア)、およびどれだけの電圧を許容することができるか(通常わずか数十ボルト)が制限されている。超電導スイッチ3は通常ダイオードおよび/または抵抗器により保護される。スイッチの保護は一般的に例えば数十ないし数百対1の比率であるので、クエンチ中にスイッチが抵抗状態になると、電流の大部分はクエンチ保護回路に流れる。その結果、クエンチ中にスイッチに流れる電流は非常に小さく、したがってそこを通して放散される熱が最小限に維持される。スイッチが適切に保護されなければ、それは焼損し、磁石および/またはスイッチは修理または交換しなければならなくなる。 The superconducting switch 3 is generally limited in how much current it can carry (usually several hundred amperes) and how much voltage it can tolerate (typically only a few tens of volts). The superconducting switch 3 is usually protected by a diode and / or a resistor. Since the protection of the switch is typically a ratio of, for example, tens to hundreds to one, most of the current flows through the quench protection circuit when the switch is in a resistive state during the quench. As a result, the current flowing through the switch during the quench is very small, and therefore the heat dissipated through it is kept to a minimum. If the switch is not properly protected, it will burn out and the magnet and / or switch will have to be repaired or replaced.
図1および図2に関連して、米国特許出願公開第2003/0057942号明細書は、超電導磁石における磁界減衰を安定化させるための方法および構成を記載している。以前は、超電導磁石はランプアップ中に通電され、次いで、磁石を流れる電流が所望の値に達すると、超電導スイッチによって短絡された。米国特許出願公開第2003/0057942号明細書で、抵抗器5は超電導スイッチ3と直列に追加され、図2の手順に示すように、電流は通常の動作電流より少し上に上昇する。これは、磁石、スイッチ、および抵抗器によって画定される回路の電圧の代数和を調整して、零磁界ドリフトに要求される条件である零または零の近くにすることを可能にする。保護抵抗器は図1および図2に示されないが、この解決策は特に、磁石の種々のセクションのために別々の保護回路を有する磁石に適用可能である。
With reference to FIGS. 1 and 2, US 2003/0057942 describes a method and arrangement for stabilizing magnetic field attenuation in a superconducting magnet. Previously, a superconducting magnet was energized during ramp-up and then shorted by a superconducting switch when the current through the magnet reached the desired value. In US 2003/0057942, a
特に、米国特許出願公開第2003/0057942号明細書は、稼働条件下で稼動量の磁界を発生する超電導磁石1を備え、該超電導磁石が超電導スイッチ3と並列に接続され、スイッチおよび磁石が電源4に並列に接続されるように適応され、それによって稼動条件下でスイッチ3が開いた状態(すなわち抵抗モード)で、磁石が電源によって通電されて稼動量の所望の磁界を発生することができ、その後スイッチ3が閉じる(すなわち超電導モードに戻される)、超電導磁石アセンブリを記載している。特に、アセンブリはスイッチ3と直列に接続された抵抗器5をさらに備え、抵抗器5およびスイッチ3は一緒に磁石1および電源4の各々に並列に接続される。抵抗器5は、図1に抵抗2として概略的に表わされた磁石の抵抗の1〜1000倍、好ましくは10〜100倍の範囲の抵抗を有することができる。電源4、磁石1、および抵抗2は、使用中に発生する磁界の不安定性が10ppm/時未満となるように、より好ましくは0.01ppm/時未満となるように構成することができる。
In particular, US Patent Application Publication No. 2003/0057942 includes a
米国特許出願公開第2003/0057942号明細書はまた、そのような超電導磁石アセンブリに通電する方法であって、
i)スイッチ3を開いて電源4から磁石1に通電するステップと、
ii)スイッチ3を閉じるステップと、
iii)稼動量発生する磁界のドリフトを低減させるように、電源4からの電流供給を変化させるステップと、
を備えた方法をも記載している。
US 2003/0057942 is also a method of energizing such a superconducting magnet assembly, comprising:
i) opening the switch 3 and energizing the
ii) closing switch 3;
iii) changing the current supply from the power source 4 so as to reduce the drift of the magnetic field generated by the operation amount;
Also described is a method comprising:
該方法は、磁界減衰を監視するステップiv)、および磁界減衰を低減するようにステップiii)で異なる電流変化を用いてステップiii)〜iv)を繰り返すステップをさらに含むことができる。 The method can further include the steps iv) of monitoring the magnetic field attenuation, and repeating steps iii) -iv) with different current changes in step iii) to reduce the magnetic field attenuation.
本発明のより完全な背景を提供するために、主として米国特許出願公開第2003/0057942号明細書の教示を以下で再現する。 To provide a more complete background of the present invention, the teachings of US Patent Application Publication No. 2003/0057942 are primarily reproduced below.
稼動量の安定した磁界を生成するために超電導磁石が使用される多くの用途が存在する。例としてMRI、NMR、ICR、およびサイクロトロンが挙げられ、そこで磁石はいわゆる「永久モード」で動作する。これは、ひとたび磁石が通電されると、磁石の始まりと終わりとの間に零オームに近い結線が接続されることを含む。これを達成するための技術は周知である。結果的に生じる磁界の安定性は次いで、磁石インダクタンスおよび全回路抵抗の時定数によって決定される。 There are many applications where superconducting magnets are used to generate a magnetic field with a stable amount of operation. Examples include MRI, NMR, ICR, and cyclotron, where the magnet operates in a so-called “permanent mode”. This includes that once the magnet is energized, a connection close to zero ohms is connected between the beginning and end of the magnet. Techniques for accomplishing this are well known. The resulting magnetic field stability is then determined by the time constant of the magnet inductance and total circuit resistance.
時定数はL/Rと定義される。ここでLはヘンリー単位の磁石インダクタンスであり、Rはオーム単位の全回路抵抗であり、時定数は秒単位で測定される。 The time constant is defined as L / R. Where L is the magnet inductance in Henry units, R is the total circuit resistance in ohms, and the time constant is measured in seconds.
したがって、L=∞またはR=0Ωでない限り、結果的に得られる時定数は有限であり、その結果、時間と共に磁石の電流および磁界の両方の指数関数的な減衰が生じる。 Thus, unless L = ∞ or R = 0Ω, the resulting time constant is finite, resulting in exponential decay of both magnet current and magnetic field over time.
用途によっては、できるだけ零に近い減衰率を有することが望ましい。一般的に、NMR用途は減衰率を0.01ppm/時未満にすることが好ましい。 In some applications, it is desirable to have an attenuation factor as close to zero as possible. In general, it is preferable for the NMR application to have an attenuation rate of less than 0.01 ppm / hour.
多くのシステムでは、磁石インダクタンスは、要求される非常に高度の均一磁界および動作電流を生じるために必要な形状によって固定される。したがって、実際には磁石の回路抵抗が磁界減衰率を決定する。 In many systems, the magnet inductance is fixed by the shape required to produce the very high degree of uniform magnetic field and operating current required. Therefore, in practice, the circuit resistance of the magnet determines the magnetic field attenuation rate.
以前からこの磁界ドリフトは認められた問題であり、唯一の解決策は磁石に再度通電することであった。 This magnetic drift has been a recognized problem for some time and the only solution has been to re-energize the magnet.
磁界ドリフトに関連して上述した問題は、抵抗器をスイッチと直列に追加することによって克服される。これは、磁石、スイッチ、および抵抗器によって画定される回路の電圧の代数和を調整して、零磁界ドリフトに要求される条件である零または零の近くにすることを可能にする。 The problems described above with respect to magnetic field drift are overcome by adding a resistor in series with the switch. This allows the algebraic sum of the voltage of the circuit defined by the magnets, switches and resistors to be adjusted to be near or near zero, the condition required for zero field drift.
ひとたびスイッチが閉じると、磁石回路に供給される電力が零まで低減される従来のシステムとは対照的に、電源は接続されたままにしなければならないが、非常に長い期間安定した磁界を達成するという利点は、電源を維持するコストに勝ると考えられる。 Once the switch is closed, the power supply must remain connected, in contrast to conventional systems where the power supplied to the magnet circuit is reduced to zero, but achieves a stable magnetic field for a very long period of time. This advantage is thought to outweigh the cost of maintaining the power supply.
一般的に、抵抗器は、磁石の抵抗の少なくとも10〜100倍大きい抵抗を有するが、磁石抵抗の1〜1000倍の範囲の抵抗も可能である。加えて、抵抗器はインダクタンスが実質的に零でなければならない。 Generally, the resistor has a resistance that is at least 10 to 100 times greater than the resistance of the magnet, although resistances in the range of 1 to 1000 times the magnet resistance are possible. In addition, the resistor must have substantially zero inductance.
零の磁界ドリフトを達成する正しい電流を決定することのできる種々の方法がある。 There are various ways in which the correct current can be determined to achieve zero magnetic field drift.
第1の方法では、磁石の抵抗を決定することができる。これは、第2の超電導スイッチを磁石および電源と並列に設け、ひとたび磁石が所要磁界強度までパワーアップされると第2スイッチが閉じられるようにし、次いで磁界減衰を監視して磁石抵抗の値を得ることによって、簡便に達成することができる。減衰率=1/時定数であり、時定数はL/Rでもある(ここでLは磁石インダクタンス、Rは磁石抵抗である)。したがって磁石抵抗R=減衰率(ppm/秒)×磁石インダクタンスLである。例えばL=100Hであり、減衰率=3.6ppm/時、すなわち3.6×10-6/3600=10-9秒である場合、インダクタンスL=100Hから、R=10-7オームとなる。 In the first method, the resistance of the magnet can be determined. This is done by providing a second superconducting switch in parallel with the magnet and the power supply so that once the magnet is powered up to the required field strength, the second switch is closed and then the field attenuation is monitored to determine the value of the magnet resistance. By obtaining, it can be easily achieved. Attenuation rate = 1 / time constant, and the time constant is also L / R (where L is a magnet inductance, and R is a magnet resistance). Therefore, magnet resistance R = damping rate (ppm / second) × magnet inductance L. For example, when L = 100H and attenuation factor = 3.6 ppm / hour, that is, 3.6 × 10 −6 / 3600 = 10 −9 seconds, inductance L = 100H and R = 10 −7 ohm.
第2の方法では、磁石に電圧計を取り付け、抵抗を既知の電流の通過に応答して直接決定することができる。 In the second method, a voltmeter can be attached to the magnet and the resistance can be determined directly in response to the passage of a known current.
第3の手法では、方法はさらに、
iv)磁界減衰を監視するステップ、および
磁界減衰を低減するようにステップiii)で異なる電流変化を用いてステップiii)〜iv)を繰り返すステップ、
を含む。この反復技法は追加コンポーネントの必要性を回避する。
In the third approach, the method further includes:
iv) monitoring magnetic field attenuation, and repeating steps iii) -iv) with different current changes in step iii) to reduce magnetic field attenuation;
including. This iterative technique avoids the need for additional components.
磁石は、低温および高温超電導材料の一方もしくは両方またはバルク抵抗の低い他の材料を利用した、任意の従来の構造を持つことができる。電源は磁石に接続されたままであるので、熱伝導を低減しかつ環境における熱放出を最小化するために、高温超電導電流リードが好ましい。 The magnet can have any conventional structure utilizing one or both of low and high temperature superconducting materials or other materials with low bulk resistance. Since the power supply remains connected to the magnet, a high temperature superconducting current lead is preferred to reduce heat conduction and minimize heat release in the environment.
図1に示すように、アセンブリは従来の形の超電導磁石1を備え、磁石の抵抗R1は、2に別個に示されている。磁石は超電導スイッチ3および電源4と並列に接続される。これまで記載したコンポーネントは従来通りである。そのような従来のシステムでは、スイッチ3は当初開いており、磁石1は、それが稼働量の所要磁界を発生するまで電源4によってパワーアップされる。次いで超電導スイッチ3は閉じられるが、電源4が徐々に作動を停止するまで、電流はこのスイッチ3を流れ始めない。この作動停止により、電流は磁石1(抵抗R1を含む)およびスイッチ3によって形成された直列回路に「永久モード」で流れる。しかし、上で説明した通り、磁石1の固有抵抗2(R1)のため、磁石1によって生じる稼動量磁界は徐々にドリフトまたは減衰する。
As shown in FIG. 1, the assembly comprises a conventional form of
これは本発明では、超電導スイッチ3と直列に追加抵抗器5(R2)を挿入することによって克服される。 This is overcome in the present invention by inserting an additional resistor 5 (R2) in series with the superconducting switch 3.
ここで図2を参照すると、スイッチ3が開いた状態で、磁石1は通常動作電流Iまで通電され(ステップ10)、次いでスイッチ3は閉じられ(ステップ11)、次いで、スイッチ3と直列の抵抗器5に流れる追加電流が等価で逆極性の電圧を発生して、磁石1内で内部発生した抵抗電圧を厳密に相殺するまで、すなわち回路電圧の代数和が零になるまで、電流はΔIだけさらに増加される(ステップ12)
増大した電源電流は磁石1に流れず(スイッチ3が閉じる)、スイッチ3および抵抗器5のみに流れることを理解されたい。これは、ひとたびスイッチ3が閉じると、電源の電流の変化が、スイッチ回路および磁石回路の両方に分割されて流れるためである。2つの電流間の比率は、回路のインダクタンスの逆比によって決定される。磁石は非常に大きいインダクタンス(一般的に100H)を有し、スイッチのインダクタンスは非常に小さい(一般的に100ナノヘンリー)ので、電流比は10-9であり、したがって全ての実践的な考察では、全ての電源電流変化はスイッチ回路に流れる。ここでは、永久モード時とは異なり、磁石1の動作中に、電源ユニット4は接続されたままであり、電流I+ΔIを回路に供給することも留意されたい。
Referring now to FIG. 2, with switch 3 open,
It should be understood that the increased power supply current does not flow to magnet 1 (switch 3 is closed), but only to switch 3 and
磁界安定性のために望ましい状態は、磁石の電圧が降下し、磁石‐スイッチループの抵抗器5が等価かつ逆である場合、すなわち
I・R(磁石)=ΔI・R(抵抗器5) [1]
の場合である。
The desired state for magnetic field stability is when the magnet voltage drops and the magnet-
This is the case.
電力供給の小さな変動は回路抵抗および磁石インダクタンスの時定数によってフィルタリングされるので、結果的に生じる磁界の時間変化率は、「永久モード」で動作する磁石の時定数によって決定される場合または電源のみによって直接通電される場合より数桁小さい大きさにすることができる。 Small variations in power supply are filtered by the time constants of circuit resistance and magnet inductance, so the time rate of change of the resulting magnetic field is determined by the time constant of the magnet operating in “permanent mode” or power supply only The size can be several orders of magnitude smaller than when directly energized.
典型値は次の通りである。
磁石インダクタンス=100ヘンリー
磁石抵抗=10-7Ω
抵抗器5=10-6Ω
I電源=100アンペア
ΔI過電流=10アンペア
通常「永久モード」で動作する磁石は、10-9秒の時定数または3.6ppm/時の減衰率を示す。
Typical values are as follows:
Magnet inductance = 100 Henry magnet resistance = 10 −7 Ω
I power supply = 100 amperes ΔI overcurrent = 10 amperes A magnet that normally operates in “permanent mode” exhibits a time constant of 10 −9 seconds or a decay rate of 3.6 ppm / hour.
上述の通り抵抗器5を使用し「準永久」モードで動作する同じ磁石は、10-5の電力供給変動に対しては3.6×10-4ppm/時の磁界安定性、10-4の電力供給変動に対しては3.6×10-3ppm/時の磁界安定性を示す。したがって、この後者のモードの磁界安定性を支配するのは電源電流の不安定性である。ところで、電源が永久モードで接続されたままの場合、回路の時定数が小さいので、準永久モードと比較して、はるかに大きい磁界不安定性が生じることが理解される。
The same magnet operating in “quasi-permanent”
所望される減衰が零の状態に到達するために、電流変化ΔIを正しく設定する必要がある。これを達成することのできる種々の方法が存在する。 In order for the desired attenuation to reach zero, the current change ΔI needs to be set correctly. There are various ways in which this can be achieved.
第1の手法では、追加の超電導スイッチ6をスイッチ3および抵抗器5と並列に接続することができる。当初、電源4は起動されると磁石1を所望の電界強度までパワーアップし、スイッチ6は閉じられ、電源は作動停止する。次いで、例えば従来のNMR技術を用いて磁界減衰が監視され(ステップ13)、これから、NMR共振周波数の時間による変化を測定することによって磁石減衰を算出することができ、次いでそれは時間による磁界の変化率を決定するために使用される。磁石インダクタンスおよび磁石動作電流が分かると、等価磁石抵抗電圧を算出することができる。次いで磁石抵抗電圧は抵抗器5の値で除算され、上記方程式[1]を用いて電源から増加電流ΔIの値が得られる。次いでスイッチ6は開かれ、スイッチ3を閉じた後、事前に算出された追加電流ΔIを印加して、上述したプロセスが実行される。
In the first approach, an additional superconducting switch 6 can be connected in parallel with the switch 3 and the
第2の手法では、磁石1の抵抗2を決定するために、磁石1の両端に電圧計(図示せず)を取り付けることができる。
In the second method, a voltmeter (not shown) can be attached to both ends of the
第3の手法では、ΔIの大まかな値が供給され(ステップ12)、磁界減衰またはドリフトがステップ13で測定される。そのドリフトが大きすぎる場合(ステップ14)、電力供給が増大され、ステップ12および13のプロセスが繰り返される。所要磁界減衰が達成されるまで、このステップの組を繰り返すことができる。
In the third approach, a rough value of ΔI is provided (step 12) and magnetic field attenuation or drift is measured in
言うまでもなく、この場合、所要磁界減衰またはドリフトを達成するために電流の増加が必要であることを想定しているが、電流の低下が必要になることがあるかもしれないので、ステップ12はそれに応じて調整される。
Needless to say, in this case, it is assumed that an increase in current is required to achieve the required field attenuation or drift, but since a reduction in current may be necessary,
次に準永久モードについてさらに詳しく説明する。 Next, the quasi-permanent mode will be described in more detail.
通常、公知の方法では、永久モード時に、磁石と直列の磁石抵抗器2(R1)によって磁石の減衰が優勢になる。この状況で、磁石インダクタの電流の変化によるその電圧降下は、磁石抵抗2の電圧降下と同等である。すなわち
Usually, in the known method, the magnet damping prevails by the magnet resistor 2 (R 1 ) in series with the magnet in the permanent mode. In this situation, the voltage drop due to the change in the current of the magnet inductor is equivalent to the voltage drop of the
ここでLは磁石インダクタンス、I1は磁石を流れる電流、R1は磁石抵抗2である。
Here, L is the magnet inductance, I 1 is the current flowing through the magnet, and R 1 is the
したがって、特定の磁石の場合、NMR陽子周波数は磁石の電流に比例するので、磁石の動作陽子周波数fの減衰Δfは、次式によって得られる。 Thus, for a particular magnet, the NMR proton frequency is proportional to the magnet current, so the attenuation Δf of the operating proton frequency f of the magnet is given by:
例えば周波数f=400MHzの磁石、L=58ヘンリー、および公称R1=4μΩの場合、これは約100,000PHz/時の理論的周波数減衰率になる(「PHz/時」は陽子共振周波数の減衰を表わす)。 For example, for a magnet with frequency f = 400 MHz, L = 58 Henry, and nominal R 1 = 4 μΩ, this results in a theoretical frequency attenuation factor of approximately 100,000 PHz / hour (“PHz / hour” is the attenuation of the proton resonant frequency) Represents).
上記とは対照的に、準永久モードでは、電流源4は磁石に接続されたままであり、スイッチ3は閉じられるので、磁石1ならびに同時にスイッチ3および抵抗器5にも電流が流れる。電源は接続されたままであるので、それは、磁石抵抗2(ここではR1と表わされた抵抗値を有する)に流れる直流電流I0 1に加えて、直流電流I0 2を抵抗器5(抵抗R2を有する)に供給する。静的モード時に、R2に生じる電圧は磁石抵抗R1の場合と同一のはずである。したがって、電圧は等しいため、次のようになる。
In contrast to the above, in the quasi-permanent mode, the current source 4 remains connected to the magnet and the switch 3 is closed so that current flows through the
スイッチ3および抵抗器5の電流I2(t)=(I0 2+δI2)内の変化δI2は、電流I1(t)=(I0 1+δI1)の時間変化δI1を伴い、またはそれによって均衡される。電源は作動状態に維持され、したがって減衰率を決定する上で決定的な因子は電源の安定性である。これをさらに考慮するために、ここで小さい数学的表記法を採用する。
The change δI 2 in the current I 2 (t) = (I 0 2 + δI 2 ) of the switch 3 and the
電源4のわずかな不安定性から来る電流の小さな変化の結果、電圧バランス計算によって次のようになる As a result of the small change in current resulting from slight instability of the power supply 4, the voltage balance calculation yields
項の簡約により、次のようになる。 Due to the reduction of the terms:
また、総電流IはI1+I2であるので、電流の総変化は次の通りである。 Further, since the total current I is I 1 + I 2 , the total change in current is as follows.
δI2=δI−δI1を代入すると、次のようになる。 Substituting δI 2 = δI−δI 1 gives the following.
項を次のように再配列する。 Rearrange the terms as follows:
電流源の安定性は最も重要になる。10ppm/時の電流安定性を持つ電源の場合、変化δI1は3.6×10-4ppm/時に低減される。時間δt<<L/(R1+R2)の場合、δI1は次式によって得られる。 The stability of the current source is most important. For a power supply with a current stability of 10 ppm / hour, the change δI 1 is reduced to 3.6 × 10 −4 ppm / hour. In the case of time δ t << L / (R 1 + R 2 ), δI 1 is obtained by the following equation.
上記解析を試験するために、抵抗が零に近くかつ57.52ヘンリーのインダクタンスを有する実験的超電導磁石を故意に、4μΩの有限公称抵抗R1と直列に配置した。永久モードおよび準永久モードの両方で、稼動条件下で減衰率を測定した。 To test the above analysis, an experimental superconducting magnet with a resistance close to zero and an inductance of 57.52 Henry was deliberately placed in series with a 4 μΩ finite nominal resistance R 1 . The decay rate was measured under operating conditions in both permanent and quasi-permanent modes.
永久モードで、400.419MHzの陽子周波数で95.5Aの電流を用いて磁石を作動させ、4μΩ抵抗に0.382mVの電圧降下を生じた。結果的に生じた減衰率は111,000PHz/時と測定された。 In permanent mode, the magnet was operated with a current of 95.5 A at a proton frequency of 400.419 MHz, resulting in a voltage drop of 0.382 mV across the 4 μΩ resistor. The resulting decay rate was measured as 111,000 PHz / hour.
準永久モードで、90μΩ抵抗器(図1の抵抗器5)を磁石と並列に(したがってスイッチ3と直列に)配置した。並列抵抗2を考慮するために、99.256Aの増大電流を使用した。これは+49PHz/時の測定減衰率を生じ、電流が最適値より少し大きくなったことを示し、その結果、陽子周波数は実際には上昇する。しかし、陽子周波数の全体的変化率は実質的に低減したことが分かる。したがって、99.254Aのわずかに小さい電流を使用することによって、改善された値を達成することができる。この結果は、4μΩの高い磁石抵抗であっても0.01ppm/時の減衰率(前述)が本発明により達成可能であることを実証する。
In quasi-permanent mode, a 90 μΩ resistor (
上記方程式を用いて90μΩ抵抗器に0.382mVの電圧を発生させるには、99.7Aの総電流をもたらす4.24Aの電流が必要である。 Using the above equation to generate a voltage of 0.382 mV across a 90 μΩ resistor requires a current of 4.24 A resulting in a total current of 99.7 A.
99.7Aの電流(すなわち400MHzの運転に適した電流)に対し10ppm/時の電源電流のドリフトを想定すると、電流源の期待不安定率は約1mA/時である。 Assuming a power supply current drift of 10 ppm / hour for a current of 99.7 A (ie current suitable for 400 MHz operation), the expected instability rate of the current source is about 1 mA / hour.
R2=90μΩと共にδI/δt=ImA/時を使用すると、磁石の電流の変化率はδI/δt=5.6×10-6A/時となる。 Using δI / δt = ImA / hour with R 2 = 90 μΩ, the rate of change of the magnet current is δI / δt = 5.6 × 10 −6 A / hour.
これは23PHz/時の算出減衰率に等しい。 This is equal to the calculated attenuation rate of 23 PHz / hour.
したがって、並列抵抗R2を設け、かつ磁石の運転中に電源を使用することにより、磁界安定性をかなり改善することができることが分かる。 Therefore, it can be seen that the magnetic field stability can be considerably improved by providing the parallel resistance R 2 and using the power source during operation of the magnet.
実験的磁石システムを使用するさらなる試験として、電流を2mAだけ低減して電源電流の変化をシミュレートした。この変化に対応するステップ証拠は減衰トレースに見られず、減衰勾配に34PHz/時の小さい変化だけが見られ、この結果は磁石回路の大きい時定数と整合する。 As a further test using an experimental magnet system, the current was reduced by 2 mA to simulate a change in power supply current. No step evidence corresponding to this change is found in the attenuation trace, only a small change in the attenuation slope of 34 PHz / hour, which is consistent with the large time constant of the magnet circuit.
一部の超電導磁石では、磁石自体の抵抗(R1)が非常に小さく、例えば10-10Ωないし10-13Ωであり、よって永久モードで磁石回路に非常に長い時定数が生じる。しかし、他の超電導磁石はより高い抵抗値を有する。これらの1特定例が「有限」抵抗を有する高温超電導体であり、したがってそのような磁石はそれらの磁界により大きい不安定性を生じ易い。製作プロセスもまた、より伝統的な低温超電導材料の抵抗の増加を引き起こし得る。有限抵抗値を有するこれらのタイプの磁石の場合、磁石回路の時定数をかなり低減させることができるので、本発明は特に適している。 In some superconducting magnets, the resistance (R 1 ) of the magnet itself is very small, for example 10 −10 Ω to 10 −13 Ω, so that a very long time constant is generated in the magnet circuit in the permanent mode. However, other superconducting magnets have higher resistance values. One particular example of these is high temperature superconductors with “finite” resistance, so such magnets are more likely to cause greater instability in their magnetic fields. The fabrication process can also cause an increase in resistance of more traditional low temperature superconducting materials. For these types of magnets having finite resistance values, the present invention is particularly suitable because the time constant of the magnet circuit can be significantly reduced.
米国特許出願公開第2003/0057942号明細書で公開された先行技術について上述したが、ここからは本発明について説明する。 The prior art published in US 2003/0057942 has been described above, but the present invention will now be described.
米国特許出願公開第2003/0057942号明細書に記載された解決策は、少なくとも以下の潜在的欠点を免れない。本発明は、これらの欠点の1つ以上を緩和するために、改善された超電導磁石電流安定化回路を提供することを目的とする。 The solution described in US 2003/0057942 is subject to at least the following potential drawbacks. The present invention seeks to provide an improved superconducting magnet current stabilization circuit to alleviate one or more of these disadvantages.
米国特許出願公開第2003/0057942号明細書に記載された解決策は、磁石の種々のセクション用に別々の保護回路を有する磁石への適用に適しているが、単一保護回路によって保護される磁石には適用できない。磁石のドリフトを緩和するための上述した構成は、スイッチ3および安定性抵抗器5の電圧が数十ボルト未満である場合にのみ有効であり、そうでない場合は過度の加熱および電流がスイッチ3を破壊する。そのような構成は、これから説明するように、クエンチが発生した場合に損傷し易い。
The solution described in US 2003/0057942 is suitable for application to magnets having separate protection circuits for the various sections of the magnet, but protected by a single protection circuit. Not applicable to magnets. The above-described arrangement for mitigating magnet drift is only effective when the voltage at switch 3 and
1000Aまで通電され、例えば関連付けられたスイッチ3の両端に接続された2Ω並列保護抵抗器を持つ超電導磁石1の場合を考える。クエンチ中に、約1000Aの電流が2Ω抵抗器を流れ始め、これは磁石1およびスイッチ3に約2kVの電圧を発生させる。明らかに、電圧したがって加熱力が非常に大きいので、そのようなスイッチおよび保護抵抗器をそのような磁石に使用することは不可能である。抵抗モード時の超電導スイッチ3の抵抗は、数オームから数百オームの間とすることができる。
Consider the case of a
それ自体は従来型の超電導故障電流限流器(SFCL)は、配電産業で例えば短絡のため過剰な電流が流れることによる配電網の損傷を防止するために使用される。抵抗型、誘導型、および整流器型のような幾つかの異なるタイプのSFCLが公知である。そのようなタイプの比較は、Journal of Physics:Conference series 43(2006) 909〜912(A.Morandiら)に発表された。公知の通り、超電導体は、温度、磁界、および電流密度の特定の限度内で運転する場合、電気抵抗が零である。各超電導材料で異なるこれらの量が特定の値を超えると、超電導体は「通常」の抵抗状態に戻る。種々のタイプのSFCLはこの特徴を利用して、キロボルト電位時に数百アンペアの電流を取り扱うことのできる限流装置を提供する。一部のタイプのSFCLは、過度の電流、磁界、または温度に対し、装置に流れる電流を現在のレベルに制限することによって反応する。他のタイプは、電流を比較的低レベルまたは零に低減することによって反応する。 As such, conventional superconducting fault current limiters (SFCL) are used in the distribution industry to prevent damage to the distribution network due to excessive current flow, for example due to short circuits. Several different types of SFCL are known, such as resistive, inductive, and rectifier types. Such types of comparisons were published in Journal of Physics: Conference series 43 (2006) 909-912 (A. Morandi et al.). As is known, superconductors have zero electrical resistance when operating within certain limits of temperature, magnetic field, and current density. When these quantities, which differ for each superconducting material, exceed a certain value, the superconductor returns to a “normal” resistance state. Various types of SFCL take advantage of this feature to provide a current limiting device that can handle hundreds of amps of current at kilovolt potentials. Some types of SFCL respond to excessive current, magnetic field, or temperature by limiting the current through the device to the current level. Other types react by reducing the current to a relatively low level or zero.
本発明の上記およびさらなる目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて、単なる実施例として掲げる特定の実施形態の以下の説明からさらに明らかになる。 The above and further objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of specific embodiments, given by way of example only, in conjunction with the accompanying drawings.
記載した先行技術の解決策は、磁石が小さいか、または各々が保護抵抗器によって保護された多数の回路からできた構成に適用することができる。磁石全体が、通常低温保持装置の外にあるが低温保持装置の内部に設けることもできる1つの抵抗器によってしか保護されない場合、先行技術の解決策は、少なくとも以下の理由から、もはや充分でない。超電導磁石の自然クエンチ中に、マグネットコイルの始めと終わりの間に数キロボルトが発生する。超電導磁石(例えばMRI磁石)で使用されるような従来の超電導スイッチは、そのような極端な状態に耐えるように作られていない。 The described prior art solution can be applied to configurations made up of a large number of circuits, each with a small magnet or each protected by a protective resistor. If the entire magnet is protected by only one resistor, usually outside the cryostat but can also be provided inside the cryostat, the prior art solution is no longer sufficient for at least the following reasons. During natural quenching of a superconducting magnet, several kilovolts are generated between the beginning and end of the magnet coil. Conventional superconducting switches such as those used in superconducting magnets (eg, MRI magnets) are not made to withstand such extreme conditions.
本発明は、そのような状況で適用可能な安定化回路を設けることによってこの問題に対処する。特に、本発明の安定化回路は、特定レベルを超える電流を遮断する超電導故障電流限流器を使用する。これは、電流を特定の最大値に制限することによって、または電流をより低い値に低減することによって行なうことができ、より低い値は零であるかもしれない。 The present invention addresses this problem by providing a stabilization circuit applicable in such situations. In particular, the stabilization circuit of the present invention uses a superconducting fault current limiter that interrupts current above a certain level. This can be done by limiting the current to a certain maximum value or by reducing the current to a lower value, which may be zero.
本発明は、ある意味で米国特許出願公開第2003/0057942号明細書の構成に似ているが、クエンチ事象中の損傷が発生し難く、かつ単一保護回路を備えた超電導磁石に適用することのできる超電導磁石用の電流安定性回路を提供する。 The present invention, in a sense, is similar to the configuration of US 2003/0057942, but is applicable to superconducting magnets that are less susceptible to damage during a quench event and that have a single protection circuit. Provided is a current stability circuit for a superconducting magnet.
本発明の実施形態に係る回路を図3に示す。本発明は、安定化抵抗器5と直列に、それ自体がマグネットコイルおよび抵抗2を備えた被保護磁石1と並列に、超電導故障電流限流器7を設けることによって、超電導磁石の電流ドリフトを低減または排除するための安定化回路を提案する。接続手段9が設けられ、それによって、超電導故障電流限流器7および安定化抵抗器5の直列組合せと並列に接続された磁石1はさらに、DC電源4と並列に接続することができる。
A circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. The present invention provides a superconducting magnet current drift by providing a superconducting fault
基本的に、超電導故障電流限流器7は先行技術の米国特許出願公開第2003/0057942号明細書(図1)のスイッチ3に取って代わる。しかし、クエンチが発生した場合、超電導故障電流限流器7は、それが受ける高い電流および電圧に耐えるだけの充分な強さがあり、極限負荷の状況では、その特徴を変化させて、磁石に流れる電流を保護抵抗器8に分流させ、そこで磁石に蓄積されたエネルギーは放散される。超電導故障電流限流器は、超電導スイッチの制限値をはるかに超える印加電圧および電流に耐えることのできる装置である。例えば公知の超電導電流故障限流器は、数千アンペアおよび数キロボルトに損傷無く耐えることができる。
Basically, the superconducting fault
ひとたび電流が充分に高い値に達し、過度の電流密度、過度の磁界、または過度の温度のため、含まれる超電導体が抵抗を持つようになると、超電導電流故障限流器はそれらに流れる電流を制限するように働く。図3の回路は、例えば低温保持装置の外部に配置することのできる保護抵抗器8の形の保護回路を示す。これは、単一抵抗器または複数の抵抗器の配列によって実現することができる。これらは、クライオゲンの蒸発損を最小化し、またはクライオゲン無しの低温保持装置の温度を最低に維持するために、低温保持装置の外部に配置することが好ましい。保護抵抗器8は磁石1全体のための単一保護構成を提供する。
Once the current reaches a sufficiently high value and the included superconductor becomes resistive due to excessive current density, excessive magnetic field, or excessive temperature, the superconducting current fault current limiter will reduce the current flowing through them. Work to limit. The circuit of FIG. 3 shows a protection circuit in the form of a protection resistor 8 which can be arranged outside the cryostat, for example. This can be achieved by a single resistor or an array of multiple resistors. These are preferably arranged outside the cryostat in order to minimize the evaporation loss of cryogen or to keep the temperature of the cryogen-free cryostat at a minimum. The protective resistor 8 provides a single protective configuration for the
先行技術のスイッチ3および本発明の超電導故障電流限流器7は両方とも超電導装置である。それらは各々、それらの抵抗が超電導状態で零であり、次いで臨界電流または温度を超えると、それらが大きい抵抗を示すという原理に基づいて機能する。2つの装置の間の基本的な相違は、超電導故障電流限流器が高い電流および電圧に対する耐性が高く、したがってより頑健であることである。
Both the prior art switch 3 and the superconducting fault
超電導故障電流限流器は、それ自体公知のコンポーネントであり、一般的に配電回路における故障を検出して分離するために使用される。それは次のように動作する。超電導ワイヤは、超電導が可能になる温度まで冷却される。通常の動作状態中には、臨界電流密度より低い電流が、超電導ワイヤおよび関連回路機構に流れる。臨界電流密度とは、それが超電導ワイヤに流れると、その温度に関係なく、超電導を停止させ、通常の抵抗モードに戻させる電流密度値である。故障(本発明においてはクエンチ事象)状態中に、過電流は超電導故障電流限流器の超電導ワイヤに流される。超電導故障電流限流器は、この過電流が臨界電流密度を超えるように構成される。過電流は超電導ワイヤの超電導を止めさせ、抵抗性になるようにする。超電導ワイヤおよび超電導ワイヤに適用される任意の導電性クラッディングは、そこに流れる電流を関連回路機構にとって安全なレベルに制限するために、そのインピーダンスが充分高くなるように構成される。この状態で電流の一部分を通すために、並列抵抗性導電経路を設けることができる。本発明においては、そのような並列抵抗性経路は少なくとも保護抵抗器8によって提供される。一般的に超電導故障電流限流器は、その臨界温度を超える温度でそれが維持されることをそのインピーダンスが確実にするので、電流がそこを流れる間、その高インピーダンス状態を維持する。一般的にサービスエンジニアの介入の後に回路がオフになるため、またはリセット回路の動作のため、電流の流れが停止すると、超電導故障電流限流器は超電導が可能な温度に戻るまで冷却され、超電導故障電流限流器は再びその通常の状態でいつでも作動することができるようになる。 Superconducting fault current limiters are components known per se and are commonly used to detect and isolate faults in distribution circuits. It works as follows. The superconducting wire is cooled to a temperature at which superconducting is possible. During normal operating conditions, current below the critical current density flows through the superconducting wire and associated circuitry. The critical current density is a current density value that, when flowing through the superconducting wire, stops the superconducting and returns to the normal resistance mode regardless of the temperature. During a fault (a quench event in the present invention) condition, overcurrent is passed through the superconducting wire of the superconducting fault current limiter. The superconducting fault current limiter is configured such that this overcurrent exceeds the critical current density. Overcurrent causes the superconducting wire to stop superconducting and become resistive. The superconducting wire and any conductive cladding applied to the superconducting wire are configured so that their impedance is sufficiently high to limit the current flowing therethrough to a level that is safe for the associated circuitry. A parallel resistive conductive path can be provided to pass a portion of the current in this state. In the present invention, such a parallel resistive path is provided at least by the protective resistor 8. In general, a superconducting fault current limiter maintains its high impedance state while current flows through it, as its impedance ensures that it is maintained above its critical temperature. When current flow stops, typically because the circuit is turned off after service engineer intervention or because of reset circuit operation, the superconducting fault current limiter is cooled down to a temperature where superconducting is possible, and the superconducting The fault current limiter will again be able to operate at any time in its normal state.
そのような動作は通常、例えばカナダ特許第2070322号およびJournal of Physics:Conference series 43(2006)909〜912(A.Morandiら)に記載される通り、配電システムにおいて故障状態で過度の電流が流れるのを回避するために使用される。 Such operation typically causes excessive current to flow in a fault condition in a power distribution system, as described, for example, in Canadian Patent No. 2070322 and Journal of Physics: Conference series 43 (2006) 909-912 (A. Morandi et al.). Used to avoid.
本発明は、そのような超電導故障電流限流器を新しい用途、すなわち超電導磁石で磁界強度の安定性を維持するのに使用する。 The present invention uses such a superconducting fault current limiter to maintain the stability of the magnetic field strength in a new application, namely a superconducting magnet.
本発明によって構想される超電導故障電流限流器(SFCL)は、任意のタイプの超電導材料、HTS、MgB2、またはLTSから作ることができる。HTSは、クライオゲンをあまり多く消散し過ぎずしかも低電流で遮断する高温領域にSFCLを配置することを可能にするので、好ましい。前記SFCLは、かなり迅速に遮断するように、クライオクーラーによって独立に冷却することができる。 The superconducting fault current limiter (SFCL) envisioned by the present invention can be made from any type of superconducting material, HTS, MgB 2 , or LTS. HTS is preferred because it allows the SFCL to be placed in a high temperature region that does not dissipate too much cryogen and cut off at low currents. The SFCL can be cooled independently by a cryocooler so that it shuts off fairly quickly.
図3は本発明の実施形態を概略的に示す。本発明の好適な実施形態では、高電力保護抵抗器8は、超電導磁石を収容する低温保持装置の外部に配置し、ケーブルで低温保持装置内の磁石および超電導故障電流限流器に接続することが好ましい。また、外部抵抗器を別個のコンパートメントに、または磁石低温保持装置の内部に配置することも可能である。保護抵抗器は、磁石からエネルギーを効果的に放散させるために、例えば空冷もしくは水冷または他の冷媒で冷却することが好ましい。 FIG. 3 schematically illustrates an embodiment of the present invention. In a preferred embodiment of the present invention, the high power protection resistor 8 is placed outside the cryostat holding the superconducting magnet and is connected to the magnet in the cryostat and the superconducting fault current limiter with a cable. Is preferred. It is also possible to place the external resistor in a separate compartment or inside the magnet cryostat. The protective resistor is preferably cooled, for example with air or water cooling or other refrigerant, in order to effectively dissipate energy from the magnet.
典型的なDC作動超電導磁石の文脈で、先行技術の抵抗器安定化解決策におけるスイッチの代わりに使用される直列超電導故障電流限流器7は、クエンチ中に電流を制限し、それを保護抵抗器8に分流させる。
In the context of a typical DC actuated superconducting magnet, a series superconducting fault
磁石に対しかつ超電導故障電流限流器7および抵抗器5の直列組合せに対する並列のDC電源の接続および切断を可能にするために、接続手段9が設けられる。そのような接続手段は例えばプラグ、ソケット、端子板、露出導電体、永久(超電導)ジョイントなどを含むことができる。DC電源4は、磁石が使用されるときに、接続手段に接続される。
Connection means 9 are provided to allow connection and disconnection of the parallel DC power supply to the magnet and to the series combination of superconducting fault
したがって本発明は、超電導故障電流限流器を使用して超電導磁石の永久安定性およびクエンチ保護を達成する。 Thus, the present invention uses a superconducting fault current limiter to achieve permanent stability and quench protection of the superconducting magnet.
図4は、本発明の代替的実施形態を示す。この第2の実施形態では、さらなる超電導故障電流限流器7aが接続手段9と磁石1との間に直列に配置される。そのような超電導故障電流限流器7aを電源4と直列に使用する場合も、磁石のクエンチはさらなる超電導故障電流限流器7aを本質的に開路させ、したがって電源4は分離され、保護抵抗器8だけが磁石に接続し続けるので、電源4を保護し、かつ標準10V電源による磁石の通電を可能にすることに役立つ。
FIG. 4 shows an alternative embodiment of the present invention. In this second embodiment, a further superconducting fault
図示する通り、この実施形態では、さらなる超電導故障電流限流器7aが接続手段9と磁石1との間に直列に配置される。さらなる超電導故障電流限流器7aは、磁石1と、故障電流限流器7および抵抗器5の直列組合せとの間に直列に配置することが好ましい。磁石1、さらなる超電導故障電流限流器7a、故障電流限流器7、および抵抗器5は直列閉回路を形成する。
As shown, in this embodiment, a further superconducting fault
図5は、図4の実施形態と一定の類似性を持つ本発明の第3の実施形態を示す。この第3の実施形態では、図4のさらなる超電導故障電流限流器7aは、接続手段9と磁石1、保護抵抗器8、ならびに故障電流限流器7および抵抗器5の直列組合せを接続するノードとの間の直列の新しい位置に移動する。図4の実施形態と同様に、そのようなさらなる超電導故障電流限流器7aを電源4と直列に使用する場合も、磁石のクエンチは超電導故障電流限流器7、7aを本質的に開路させ、したがって電源4は分離され、保護抵抗器8だけが磁石に接続し続けるので、電源4を保護し、かつ標準10V電源による磁石の通電を可能にすることに役立つ。
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention with a certain similarity to the embodiment of FIG. In this third embodiment, the further superconducting fault
図示する通り、この実施形態で、電源4、故障電流限流器7および抵抗器5の直列組合せ、ならびにさらなる超電導故障電流限流器7aは直列閉回路を形成する。
As shown, in this embodiment, the power supply 4, the series combination of fault
Claims (5)
前記超電導磁石が超電導故障電流限流器(7)および抵抗器(5)の直列組合せと並列に接続され、さらに保護抵抗器(8)と並列に接続され、これにより、クエンチ条件下において、前記超電導故障電流限流器(7)が抵抗性となることによって電流が前記保護抵抗器(8)を流れるようにし、前記超電導磁石からエネルギーを放散するようにしてなることを特徴とする超電導磁石アセンブリ。 A superconducting magnet (1) for generating an operating amount of magnetic field under operating conditions; and a connecting means (9) for connecting the magnet in parallel with a DC power source (4) , whereby the operating magnet In a superconducting magnet assembly configured such that a magnet is energized by the power source to generate an operational amount of a desired magnetic field ;
The superconducting magnet is connected in parallel with a series combination of a superconducting fault current limiter (7) and a resistor (5) and further in parallel with a protective resistor (8), so that under quench conditions, and wherein the superconducting fault current limiter (7) is a current I by the Rukoto such as resistance to flow the protective resistor (8), made so as to dissipate energy from the superconducting magnet superconducting magnet assembly.
The power supply, the magnet, and the resistor is configured to instability of the magnetic field generated during use is substantially 10ppm / less time, the superconducting magnet assembly according to any one of claims 1 to 4 .
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